7/26/2019 Le Son Et lAudionumrique

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Le son et laudionumrique

1. Quest-ce que le son ?

Sous sa forme la plus simple, le son n'est qu'une vibration mcanique, c'est--dire un

mouvement de va- et-vient plus ou moins complexe de matriaux autour de leurs points

d'quilibre. Donc, si lon entend un son, c'est parce que les particules d'air proches de nos

tympans vibrent. On observe galement un phnomne de propagation de ces vibrations

dans certains matriaux ; le son atteint gnralement nos oreilles aprs avoir t transmis

par l'air depuis sa source (et sous l'eau, ce sont les particules d'eau qui transmettent le son).

Le son se propage sans dplacement de matire, mais transmet la matire environnanteune nergie vibratoire.

Un son priodique , cest- -diredont les ondes de pressions serptent avec une certainergularit, a la caractristique deprovoquer une impression de

hauteur loreille. La hauteur estlie au nombre de priodescontenues dans une seconde, ce quelon appelle frquence . Cettefrquence se mesure en Hertz (Hz).

Cette vibration se transmet ensuite de proche en proche par l'intermdiaire du milieu (l'air,l'eau...). Dans le vide, le son ne se propage pas puisqu'il n'y a pas de milieu matriel.

Le son priodique le pluspur que lon puissetrouver est trs proche dusifflement.

Sa reprsentation est uneonde sinusodale parfaite.

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La frquence dun sondtermine donc la hauteur de

sa fondamentale, mais un sonpeut avoir plusieursharmoniques.

On parle alors dun soncomplexe priodique.

Un son complexe priodique obit une loi mathmatique appele loi de Fourier, cest dire que ce signal complexe, priodique, se dcompose en un certain nombre de sinusodes

dont les valeurs sont des multiples entiers de celle dont la frquence est la plus basse.Un exemple de son harmonique : un son de 100 Hertz dont les composantes seraient 100 ;200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 Hertz. La hauteur perue est la frquence la plus basse, c'est--dire 100 Hertz. Les composantes suivantes 2x100 , 3x100, 4x100, etc., sont bien desfrquences calcules sur des multiples entiers ( 2 ; 3 ; 4, etc.) ; ce sont les harmoniques. Lafrquence la plus basse qui leur sert de base de calcul est la frquence fondamentale. Lerang dun harmonique est le nombre entier par lequel on a multipli le fondamental. Onparlera par exemple dharmonique de rang 3, dans le cas prsent 300 Hertz (fig. a).

Mais les sons rels sont rarement aussi parfaitementcisels et contiennent une part de bruit dans leur contenuspectral ; droite, on peut voir un sonagramme dune notede violon. Outre les diffrentes zones harmoniques, onremarque au dbut une zone grise, continue verticalement,aux frquences non dfinies, il sagit du bruit de larchet linitiation de la note, avant que la corde ne se mette vibrer.

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2. Le son dans lordinateur

Avant de rentrer dans lordinateur le son doit tre capt (transduit) par unmicrophone (transducteur) ; la sortie de ce dernier, on parle de signal analogique. C'est

ce type de signal que l'on observe immdiatement droite du graphique de pression aucours du temps. Il est directement semblable (analogue) la pression au cours du temps un facteur multiplicatif prs.

L'information analogique est constitue de valeurs continues dans le temps, c'est--direqu' tout instant correspond une valeur (de pression par exemple).

La tche d'un convertisseur analogique-numrique (CAN) est de venir prlever deschantillons de ce signal continu afin dobtenir une suite de nombres binaires ; ceci estobtenu en "quantifiant" l'amplitude de la forme d'onde des intervalles de temps rguliers

t. Aprs chaque dure t, une valeur damplitude lectrique est code en binaire etenregistre dans lordinateur.

La priode t est appele priode d'chantillonnage. Les chantillons peuvent treconsidrs comme des images instantanes du signal audio qui, assembles dans unesquence, donnent une reprsentation de la forme d'onde continue, de la mme manireque la squence d'images d'un film, projete en succession rapide, donne l'illusion d'uneimage en mouvement continu.

Pression (Pascals) Tension (Volts)

Signal

Signal

Temps Temps

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Afin de reprsenter les dtails fins du signal,il est ncessaire de prlever un grand nombrede ces chantillons chaque seconde.Comme on peut le voir dans la figuresuivante, si on prlve trop peud'chantillons par cycle, ils peuvent alorstre interprts comme la reprsentationd'une forme d'onde diffrente de la formed'onde d'origine chantillonne.

Afin davoir une qualit suffisante, on utilisera une frquence dchantillonnageminimum de 44100 Hz, cest--dire que lordinateur viendra rcuprer des chantillons44100 fois par seconde (la priode t dchantillonnage sera de 1/44100 de seconde ou de0,0000226 s). La thorie de Nyquist-Shannon (daprs les noms des scientifiques HarryNyquist et Claude Shannon) nonce que la frquence ncessaire un bon chantillonnagedun signal doit tre gale ou suprieure au double de la frquence maximale contenuedans ce signal.

On a estim (pour certaines raisons industrielles qui dpassent le cadre de ce cours) que lafrquence maximale que lhomme pouvait thoriquement entendre tait de 22050Hz (enralit la moyenne est autour de 16000Hz), do le standard de 44100Hz comme frquencedchantillonnage minimale.

On a vu que sur le plan temporel (horizontal), il tait trs important de choisir unefrquence dchantillonnage de 44100 Hz pour avoir une qualit sonore suffisammentbonne. Sur le plan de lintensit sonore (vertical), la quantification devra aussi tresuffisante; elle correspond au nombre de bits des messages servant reprsenter le signalaudio une fois numris.

On se doute que, comme pour laspect temporel, plus on a de valeurs pour numriser lesdiffrentes valeurs dintensit du signal, plus lchantillonnage sera fidle loriginalanalogique.

Sur les schmas ci-contre, on observe le haut ducourbe sinusodale reprsentant un son aprs sonchantillonnage suivant diffrents paramtres.

Les schmas (A) et (B) montrent deuxchantillonnages la mme frquencedchantillonnage mais aux quantificationsdiffrentes (la seconde quantification est 4 fois plusprcise que la premire).(C) montre une frquence dchantillonnage plusleve avec la mme quantification.(D) est lexemple idal dmontrant lintrt davoirET une bonne frquence dchantillonnage ET unequantification leve.

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3. Quelques formats de fichiers sonoresa. Sans rduction de donnes (dits non-compresss )

WAVE : Mis au point par Microsoft et IBM, le format Wave PCM est leformat son standard de Windows (galement sur Macintosh). Il est limit unpoids de 2 Go. Le format "Disque compact" 44.1 kHz, 16 bits et stro nous

servira de rfrence pour le calcul du poids et ratio des autres formats.

AIFF : format de stockage des sons sur les ordinateurs Macintosh d'Apple.C'est l'quivalent du format WAV dans le monde Macintosh.

RAW : Format audio brut

AU : Le format AU est assez bien rpandu grce Unix et Linux. Lafrquence d'chantillonnage est comprise entre 1 kHz et 200 kHz. Mais lesapplications de rendu audio ne lisent principalement que trois frquencesd'chantillonnage: 8012.821Hz, 22050Hz et 44100Hz.

b.

Avec rduction de donnes (dits compresss )i. Avec perte dinformation (modles psychoacoustiques)

MP3 : MPEG-1/2 Audio Layer 3. Format de compression trs populairepermettant d'occuper quatre douze fois moins d'espace de donn. Pour cela,certaines frquences inaudibles par l'oreille humaine vont tre totalementsupprimes dans le fichier. La compression au format MP3 exploite aussi unmodle psycho-acoustique de l'effet dit de masque : si deux frquencesd'intensits diffrentes sont prsentes en mme temps, l'une peut tre moinsperue que l'autre par l'oreille, selon que ces deux frquences sont proches ounon. Les informations de frquences non significatives laudition ne sontdonc pas encodes.

AAC: Amlioration du format MP3, c'est le format des fichiers audiosupports par Apple au sein de son baladeur numrique iPod et de son logicieliTunes. LAAC est un format de compression audio standardis par lISObas sur les nomes du MPEG-4, dou son nom MP4. Les frquencesdchantillonnage vont de 8 kHz 96 kHz (MP3 officiel : 16 48 kHz) et ilpeut grer jusque 48 canaux.

WMA : format de compression audio propritaire dvelopp par Microsoft. Iloffre la possibilit de protger ds l'encodage les fichiers de sortie contre lacopie illgale par une technique nomme Gestion Numrique des Droits (ouGND ; en anglaisDRM : Digital Rights Management).

OGG Vorbis (ou OGA): formats et codecs multimdias ouverts, libres etdgags de tout brevet. Le format de compression audio Vorbis estpropos par la fondation Xiph.Org. Moins populaire que le MP3, il lui estpourtant suprieur en terme de qualit poids gal.

RA: .ra (real audio), .rv (real video), .rm (real media), .ram (real audiometadata). Famille de codecs audio propritaires (RealNetworks). Trs ancien,il permet de diffuser de la musique sur internet en utilisant la technique dustreaming.

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ii. Sans perte dinformation FLAC 1 (Free Lossless Audio Codec): codec libre de

compression audio sans perte. linverse de codecs tels queMP3 ou Vorbis, il nenlve aucune information du flux audio. Cettequalit maximale a pour consquence une quantit d'information

plus leve, qui tout en tant assez variable se trouve en moyennetre de l'ordre de 50 % de la taille du mme fichier au format PCM.

ALAC2(Apple Lossless Audio Codec): le format a t dvelopppar Apple pour combler une lacune de la norme MPEG-4, dont lapartie consacre l'encodage sans perte tarde encore tre finalise.ALAC, qui s'adressait majoritairement aux utilisateurs d'iTunes etde l'iPod, a t un format propritaire jusqu la fin octobre 2011,date laquelle les sources du codec ont t rendues disponibles sousune licence Apache1. Il est noter qu'Apple n'utilise jamaisl'abrviation ALAC, seulement le nom Apple Lossless

1 http://fr.wikipedia.org/wiki/Free_Lossless_Audio_Codec2 http://fr.wikipedia.org/wiki/Apple_Lossless